FSS 天线罩在舰船 EMC 设计中的应用研究

韩卫国，郭兴旺，杨　松

（1.中国人民解放军91404 部队，河北　秦皇岛 066001；2.中国人民解放军61936 部队，海南　海口 571100）

FSS 天线罩在舰船 EMC 设计中的应用研究

韩卫国1，郭兴旺1，杨松2

（1.中国人民解放军91404 部队，河北秦皇岛 066001；2.中国人民解放军61936 部队，海南海口 571100）

为改善舰船的电磁兼容性，基于频率选择表面的空间滤波原理，分析频率选择表面天线罩在舰船上的应用，设计 1 部工作在 X 波段的频率选择表面天线罩。仿真分析表明，该天线罩对通带外的电磁波具有较好的滤波作用，同时能保证通带内电磁波的有效传输，可以作为改善电磁兼容性的措施应用到舰船设计中。

舰船；电磁兼容；频率选择表面；天线罩

0　引　言

随着舰船自动化程度的提升，大量电子、电气装（设）备集中安装在舰船狭小的空间内，往往会对设备或人员产生严重的电磁干扰。为解决这一问题，各国在舰船建造过程中广泛开展了电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）设计，在美国海军舰船的现代化设计和改装中，已将电磁工程造船与轮机工程并列为影响舰船作战能力的 3 项基本支柱［1-3］。随着我国舰船装备的建设发展，舰船的总体 EMC 设计也越来越引起装备研制部门和军方的重视。

频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是一种对电磁波具有选频作用的空间滤波器。FSS 的这一空间滤波特性使其可以被应用在舰船桅杆上的天线罩上，允许天线工作频段内的电磁波通过而阻挡其他频段的电磁波进入。这项技术已经被西方发达国家应用到舰船设计中，以提高舰船的隐身性和电磁兼容性［4-5］。

本文针对 FSS 天线罩在舰船 EMC 设计中的应用进行探讨，并对工作在 X 波段的 FSS 天线罩进行仿真分析。

1　FSS 天线罩的应用

FSS 是一种二维周期结构，它最本质的特征就是能够对不同频率、入射角及极化状态下的电磁波呈现滤波特性，如图1 所示。频率选择表面的周期单元大致分为 2 种类型，一种是金属贴片，另一种是导体屏周期开孔（缝隙），通常 FSS 需要介质层支撑和覆盖。当频率选择表面的谐振单元处于谐振状态时，处于谐振频率的电磁波被全反射（单元为贴片型）或全透射（单元为缝隙型）。频率选择表面在降低重要回波源的雷达反射截面（RCS）方面具有广泛的应用，这使其成为近几十年来电磁学研究领域的热点问题［4-7］。

FSS 最重要的一个应用就是在飞机、导弹前端的天线罩上，用带通型 FSS 制作成隐身天线罩，以降低雷达工作带外的 RCS。图2 为理想 FSS 天线罩的工作情况：飞行器（飞机或者导弹）前端的雷达天线被具有带通滤波特性的 FSS 天线罩罩住，在雷达工作频段内，电磁波将不受阻碍地通过天线罩，而在工作频段外，天线罩对于入射电磁波是“不透明”的，大部分的入射波会由于罩体的形状沿双站方向反射，从而达到降低带外 RCS 的目的［4］。

图1　频率选择表面Fig.1　Frequency selective surface

图2　理想带通天线罩Fig.2　Band-pass radome

飞机和卫星上有同时工作在不同频段的多部天线，如图3 所示，带通、带阻或者多频带的 FSS 在这些武器装备上都具有广泛的应用前景［8］。

通过对 FSS 天线罩的分析可以自然地想到它的另外一个重要用途——覆盖安装在舰船桅杆上的天线，阻止非工作频段的信号通过而允许有用信号通过，如图4所示。

上述应用在舰船上的 FSS 天线罩作为集成天线桅杆技术的一部分被应用到舰船电磁兼容设计中，这相当于将传统的滤波技术通过 FSS 天线罩的方式应用到天线外面，在提高舰船隐身性能的同时也能起到改善总体电磁兼容性的作用。

图3　飞机和卫星上的共形天线罩Fig.3　Confamal radome on airplane and satellite

图4　舰船上的 FSS 天线罩Fig.4　FSS radome on ship

2　FSS 天线罩仿真

本文通过 1 个仿真的 FSS 天线罩来分析其滤波作用。建立 1 部工作在 X 波段的抛物面天线模型，用角锥喇叭作馈源；为该抛物面天线设计带通 FSS 天线罩，采用普通圆环单元，圆环半径 4.46/4.71 mm，单元周期 15 mm，介质衬底厚 2 mm，εr=2.0，tan δ=0.000 2，最终得到的 FSS 隐身天线罩上共有 998 个圆环缝隙单元，如图5 所示。

对该模型进行仿真，得到其在 9.375 GHz 的方向图，如图6 所示。从方向图的对比中可看到，FSS 天线罩使天线的主瓣增益下降，旁瓣电平升高，这是由于 FSS 阵列在大角度入射情况下谐振频率漂移导致9.375 GHz 的电磁波发生衰减造成的，通过改进 FSS 设计可使这种情况得到避免。

图5　抛物面天线-FSS 天线罩模型Fig.5　Parabolic antenna-FSS radome

图6　加FSS天线罩与无罩天线方向图对比Fig.6　Patterns of parabolic antenna-FSS radome and parabolic antenna

3　结果分析

不同角度入射下 FSS 天线罩在 9.375 GHz 附近的功率传输系数如图7所示。从图中可看出，最坏的情况是TE模式，60° 入射时，FSS 阵列的传输系数在 0.8左右，除此之外，其在设计频率（9.375 GHz）处的传输系数均接近于 1，可以保证天线工作频率的电磁波很好地透过。

图7　不同角度入射下通带内电磁波的功率传输系数Fig.7　Power conversion in band at different incident angles

不同角度入射下 FSS 天线罩在天线工作频率之外的功率传输系数如图8所示。 从图中可看出，除过30° 入射的 TE 模式在 14.3 GHZ 附近出现了一个栅瓣，导致功率传输系数的跳变之外，其他情况的功率传输系数均能稳定地保持在 0.3 以下。

对上述仿真结果的分析表明，FSS 天线罩对通带外的电磁波具有较好的滤波作用，同时能保证通带内的电磁波有效传输，可以作为改善电磁兼容性的措施应用到舰船电磁兼容设计中。

图8　通带外的功率传输系数Fig.8　Power conversion out of band at different incident angles

4　结　语

电磁兼容是影响舰船作战能力生成的一个重要问题，FSS 的空间滤波特性使其能被应用在天线罩上以提高舰船的电磁兼容性。本文对工作在 X 波段的 FSS天线罩进行了仿真设计，分析结果表明其能够起到较好的滤波作用。

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Research on the application of FSS radome in the design of warship EMC

HAN Wei-guo1，GUO Xing-wang1，YANG Song2
（1.No.91404 Unit of PLA，Qinhuangdao 066001，China；2.No.61936 Unit of PLA ，Haikou 571100，China）

In order to improve the electromagnetic compatibility of the warship，the application of frequency selective surface radome in warship is analyzed based on its spatial filtering characteristics，a frequency selective surface radome works in X-band is designed，the simulation result shows that the radome has a good filtering effect on the electromagnetic wave，which can be used in the design of warship electromagnetic compatibility.

warship；EMC；FSS；radome

U665

A

1672-7619（2016）06-0147-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.030

2015-09-14；

2016-01-06

韩卫国（1965-），男，高级工程师，研究方向为水面舰船作战系统试验。